一种小型低污染垃圾焚烧炉方案研究

饶国燃

摘要：在我国，垃圾焚烧前景很好，目前国内垃圾焚烧研究主要集中于大型化垃圾焚烧发电技术，但对用于小城镇及农村的小型垃圾焚烧炉研究依然有所欠缺，本文主要针对一种小型低污染垃圾焚烧处理方案进行研究，主要确定了垃圾焚烧流程，对垃圾焚烧炉选用了固定炉排炉，对炉膛进行了结构设计，对烟气中的有害成分及颗粒物通过烟气处理系统进行了处理，基本能控制垃圾焚烧减量化处理及实现烟气无害化处理。

Abstract： The development of waste incineration has good prospects in China. At present， domestic waste incineration research is mainly focused on large waste incineration power generation technology. However， research on small incinerators for small towns and villages is still lacking. In this paper， a small and low pollution waste incinerator treatment project is mainly studied. It mainly determines the waste incineration process， and a fixed grate furnace is selected for the incinerator. The structure of the furnace is designed， and the harmful components and particulates in the flue gas are treated by the flue gas treatment system. It can basically control waste incineration and reduce treatment and realize harmless treatment of flue gas.

关键词：垃圾焚烧；烟气处理；低污染

Key words： refuse incineration；flue gas treatment；low pollution

中图分类号：X705；TK175 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2018）28-0186-03

0 引言

垃圾处理问题是目前城市和农村都必须面临的重大问题之一，垃圾处理的方式目前分为简易填埋、农业堆肥和垃圾焚烧三种方式。简易填埋处理流程比较简单，但缺点是需要大量的土地，同时会对环境造成二次污染。农业堆肥处理流程比简易填埋复杂，但缺点是依然无法分解垃圾中的无机物[1]。相比之下，垃圾焚烧就更胜一筹。首先，焚烧发电占地面积小，占地面积只需垃圾填埋的二十分之一至十分之一。其次，垃圾焚烧的处理速度比较快，其燃烧温度高于850摄氏度，能在较短时间内完成垃圾处理。再者，垃圾焚烧的减容效果好，焚烧后体积比原来的缩小70-80%。垃圾焚烧会产生炉渣、飞灰等固态污染物，飞灰经固化处理后，可进行无害化填埋，炉渣可制成建筑材料。产生的污水、垃圾渗透液等液态污染物可在处理达标后直接排放。产生的二噁英、超细颗粒物、重金属等气态及特殊污染物则在经过无害化处理后排入大气。综上所述，在垃圾处理方式中使用垃圾焚烧是比较好的选择，但目前垃圾焚烧处理大多是大型垃圾焚烧发电处理，存在投资成本及运行费用高缺点[2]。

在我国，政府很重视垃圾焚烧处理并有相关的政策与投资支持，垃圾焚烧前景较好[3]，但针对于城镇及农村等垃圾量较小的地区，小型化垃圾焚烧处理设备依然存在不少问题。因此，对小型高效低污染垃圾焚烧炉进行研究有很大的现实意义，本文针对小型高效低污染垃圾焚烧炉结构方案与实现方式进行研究。

1 垃圾焚烧系统方案

垃圾焚烧指的是对垃圾的燃烧处理，核心过程是燃烧的过程。垃圾燃烧过程是一个复杂化学物理变化过程，主要涉及热分解、热质传递、化学反应和流体流动问题[4]。对于城镇及农村垃圾，最明显的特点是含水量明显高于其它燃料。对于垃圾焚烧，焚烧过程主要分为干燥过程、热分解过程、燃烧过程三个阶段。干燥过程是主要的吸热过程，需要消耗较多的热能，这个过程最主要需要考虑垃圾含水率的影响，如果垃圾含水率过高，在干燥过程中则需要吸收更多的热量，从而会降低炉温而影响着火，需要提高炉温改善垃圾着火条件。热分解过程是在高温下垃圾中有机可燃物进行分解或聚合反应的过程[5]。热分解反应，可能是吸热的，也可能是放热的。热、质传递的速率，对热分解影响明显，而热量传递速率的影响较大。燃烧是指在空气中垃圾中有机物的氧化反应，这一过程中需要关注的问题主要是燃烧温度、燃烧停留时间、过量空气系数、混合强度和烟气生成问题。

对于垃圾焚烧炉的设计，主要考虑的影响因素垃圾在炉膛的焚烧温度和燃烧及烟气的停留时间，以达到完全燃烧及二噁英的及时分解要求。在这前提下，需要在设计时选择合适的炉型，需要对炉膛的形状和尺寸进行合理设计，以实现增加垃圾与氧气接触的机会目的，让垃圾在焚烧过程中，能控制助燃空气及燃烧气体的流速及流向，可以有利于水份蒸发控制与燃烧控制，实现更高效的燃烧与更低的有害物质排放[6]。

对于小型垃圾焚烧炉，通常系统主要包括：人工投料；焚烧炉；助燃处理；污染处理；智能控制。垃圾焚烧处理的工艺流程是：人工将废弃物投入进料空间进行干燥，干燥后的垃圾送入炉膛进行燃烧，在炉膛中主要控制燃料在高温下同氧气充分接触，此时主要控制炉温在需要范围内，同量保证生成烟气在炉内的滞留时间并根据炉膛的出口烟气的含氧量进行调整风量。烟气处理系统包括加热烟道、水洗冷卻处理、电子除尘和烟囱。焚烧炉出来后的烟气先进入加热烟道，在炉膛无法完全分解二噁英时启动加热保证烟气中二噁英能得到有效控制。加热烟道出来后的烟气进行水洗冷却处理设备进行冷却与初步烟气颗粒物及有害化学成分收集。水洗冷却处理设备出来后的烟气再经电子除尘设备进行进一步对颗粒物进行处理，然后经由烟囱排向大气。小型垃圾焚烧炉系统组成与工艺处理流程如图1所示。

2 焚烧系统

焚烧系统，是垃圾焚烧流程中的重要部分。焚烧炉是垃圾焚烧的主要场所，其形状和结构直接影响焚烧的效率。小型焚烧炉焚烧系统的工艺流程是：进料口→炉排→焚烧炉本体。

垃圾焚烧方式和形态，是决定焚烧工艺流程和焚烧炉型号的重要依据。焚烧垃圾炉按原理与结构不同可以分为固定炉排焚烧炉、流化床焚烧炉、回转窑焚烧炉和热解气化焚烧炉[7]。固定炉排焚烧炉优点是结构简单造价低廉，缺点是只能人工操作、需要间歇运行，而且炉膛温度不易控制，其焚烧效率较低，假如拨火不充分就会引起焚烧不完全。此类焚烧炉，适合小量垃圾的焚烧，因此本文采用的是固定炉排炉。

本文的设计的小型垃圾焚烧炉炉膛的日焚烧量是G=8t/d，确定炉膛主要尺寸主要是确定炉底尺寸和炉膛高度两个参数，对于炉底尺寸，主要的考虑因素是选择合适的炉底热强度指标进行计算[8]：

3 烟气处理系统

垃圾焚烧后产生的烟气的主要成分N2、O2、CO2、H2O四种无害物质，占烟气容积的99%。但因垃圾成分和燃烧过程的多变性，垃圾焚烧烟气中还含有1%左右的有害污染物，主要包括颗粒物、酸性污染物、重金属、残余有机物等。烟气处理系统的作用就是除去烟气中的烟尘、酸性污染物、氮氧化物和二噁英等有害物质，使得烟气排放达到国家安全标准，从而改善生态自然环境。

3.1 二噁英的处理

二噁英在标准状态下是固态的，在705℃以下的二噁英是非常稳定的，当高于705℃时就会开始分解。二噁英的主要形成方式有两种：一是在燃燒的过程中由于部分空间供氧不足十分容易产生二噁英。二是焚烧后在有金属催化剂和300-500℃条件下烟气中会再次形成二噁英。所以可以针对二噁英的形成原理，进行控制二噁英的产生，避免污染到外界。这需要垃圾焚烧炉遵从“三T”原则。“三T”原则指的是时间、温度、湍流度三个原则。也就是说，焚烧过程中，当垃圾进入焚烧炉内后，燃烧过程中，会产生一个气体上升的空间，然而只要保证在该空间的温度达到850摄氏度以上，并且使烟气的停留时间超过两秒，二噁英就可以很好地分解。

另外，本文烟气处理系统在焚烧炉后设置一个加热烟气通道。加热烟气通道长度根据烟气的流速和流量进行计算，烟气的流速流量可以由引风机进行控制，需要保证烟气可以在烟气通道里面可以停留2s以上，这样从焚烧炉出来的烟气，就算残留有二噁英，也可以在烟气通道中完全分解。引风机可以设置在烟气处理系统前面。引风机不仅可以控制烟气的流速，还可以保持一定的负压，使操作员不会闻到难闻的气味。加热烟气通道结构如图3所示。

3.2 烟气水洗冷却及除尘

从烟气通道出来的烟气温度过高，不能直接进入烟气处理系统。所以需要进行冷却设计。因为本设计没有设置余热锅炉，可在烟气通道后设置一个喷水冷却装置。本次设计使用水洗箱。水洗箱不仅可以降低烟气的温度，还可以去除烟气中的大颗粒和油烟。而且水洗箱的结构比较简单，适用于小型焚烧炉。冷却水洗箱如图4所示。

烟气从水洗箱出来后，仍有颗粒的灰尘，可以在水洗箱后面设置一个除尘器。因为与其他除尘设备相比，静电除尘器有耗能少、除尘效率高的优点，适用于除去烟气中0.01至50μm的粉尘，表电除尘器可用于烟气温度高、压力大的场合，所以本文方案除尘器选用静电除尘器。

3.3 烟囱高度要求

烟囱高度的选择主要与焚烧量有关，如果垃圾焚烧炉焚烧量小于100t/d，烟囱最低允许高度可以选择为25m；垃圾焚烧炉焚烧量为100～300t/d时，选择的最低高度是40m；垃圾焚烧炉焚烧量大于300t/d时，选择的最低高度是60m。本设计的垃圾焚烧炉焚烧量是8t/d，小于100t/d，所以烟囱选用25m。

4 结论

本文主要针对小型低污染垃圾焚烧炉结构与实现进行研究，主要措施如下：

①垃圾焚烧流程确定为：人工投炉→焚烧炉→烟气通道→烟气处理系统→炉渣、飞灰的处理。

②垃圾焚烧炉选用了固定炉排炉，对炉膛进行了结构设计。

③在二噁英问题上，根据“三T”原则，把焚烧温度控制在850℃以上，并在焚烧炉后设置一个烟气通道控制停留时间在2s以上。

④利用烟气水洗冷却处理设备及静电降尘箱对烟气有害成分及颗粒进行进一步处理。

通过以上处理，基本能控制垃圾焚烧减量化处理及实现烟气无害化处理，能为小型低污染垃圾焚烧炉设计及实现提供一定的参考意义。

参考文献：

[1]崔小爱.生活垃圾焚烧发电项目环境影响及保护对策研究[D].南京农业大学，2013.

[2]蔡芹.中日两国小型垃圾焚烧炉技术及运行管理[J].环境技术，2003，03.

[3]秦虹.垃圾焚烧排放新标即将落地[J].中国电力报，2014.

[4]薛叙明.环境工程技术[M].化学工业出版社，2011.

[5]韩国军.城市生活垃圾焚烧的环境保护可行性研究[D].东北师范大学，2006.

[6]申威峰.间接法聚乳酸循环系统工艺过程的研究与开发[D].重庆大学，2009.

[7]邹包产，韩秋喜，王文凯，高建东，李鹏.炉排炉垃圾焚烧控制策略[J].环境工程，2013.

[8]王秉铨.生活垃圾焚烧炉的选型与设计[J].工业加热，2001.